新冠病毒S蛋白与ACE2的亲和力是SARS的10-20倍

最近在中国爆发的新型冠状病毒（2019-nCoV）感染疫情如今已经被列为国际关注的突发公共卫生事件，这种病毒会引起发烧、严重呼吸道疾病和肺炎症状；冠状病毒的S糖蛋白（spike glycoprotein）是开发新型疫苗、治疗性抗体和诊断技术的关键靶点。2月19日，刊登在Science杂志上一篇题为“Cryo-EM Structure of the 2019-nCoV Spike in the Prefusion Conformation”的研究论文中，来自美国德克萨斯大学和国家过敏和传染病研究所的研究人员通过联合研究利用冷冻电镜技术解析了新型冠状病毒S蛋白的结构，深入研究后，研究者发现，新冠病毒S蛋白与宿主细胞ACE2之间的亲和力是SARS的10-20倍，相关研究结果或为后期疫苗和新型抗病毒药物的提供新的思路和研究基础。

新型冠状病毒S蛋白在融合前构象中的结构

图片来源：Daniel Wrapp，et al.

据WHO 2月10日数据显示，目前全球有超过4万例确诊病例，已经造成了至少900人死亡，这种冠状病毒被认为是一种新型冠状病毒（2019-nCoV），其与多种蝙蝠冠状病毒及SARS冠状病毒具有高度相似性；相比SARS冠状病毒而言，新型冠状病毒似乎更容易人传人，其能在几个大洲快速传播，并让WHO宣布全球进入公共卫生应急状态。新型冠状病毒能利用一种紧密糖基化的、同源三聚体I类融合凸起蛋白（S蛋白）来进入宿主细胞中，S蛋白能以一种相对稳定的融合前构象存在，并经历剧烈的结构重排来促进病毒膜结构与宿主细胞膜进行融合，这一过程是由病毒S1亚单位与宿主受体的结合所诱发，其能破坏融合前三聚体的稳定性，从而导致S1亚单位脱落，并促使S2亚单位转变为高度稳定的融合后构象。为了能与宿主受体相结合，S1的受体结合结构域会经历链状样的构象运动，这种运动方式会暂时隐藏或暴露受体结合的决定因素，这两种状态被认为是“向上”或“向下”构象，其中向下的构象对应的是受体不可及的状态，而向上构象则对应着受体可达的状态，后者被认为具有不稳定。由于S蛋白不可或缺的功能，因此其有望成为抗体所介导的中和作用的易感性靶点，而融合前的S结构则能够提供原子水平的信息来帮助指导科学家们进行疫苗的设计和开发。

基于此前研究人员所报道的新型冠状病毒基因组序列，这项研究中，研究人员表达了新型冠状病毒的胞外域1-1208的残基，同时基于此前的稳定化策略（对β冠状病毒S蛋白非常有效）在S2融合机器的C末端添加了两个稳定的脯氨酸突变，研究者从293个细胞中获得了约为0.5mg/L的重组融合前稳定的S胞外域结构，同时利用亲和色谱和尺寸排阻色谱技术对蛋白质进行了纯化，随后研究者利用纯化且完全糖基化的S蛋白制备了Cryo-EM（冷冻电镜）网格。

当研究人员收集并加工处理了3207张显微照片后，他们获得了一个3.5埃分辨率的3D非对称三聚体的重建图像，其中能在“向上”的结构域中观察到单一的受体结合域，由于受体结合域的尺寸较小（0-21kDa），因此在进行三维重建和分类之前，这种构象的对称性或许并不明显。在cryoSPARC v2算法中3D可变性特征的帮助下，研究人员就能够在受体结合域进行链状移动时观察到S1亚单位的结构，这种运动或许就会导致S1相对于更稳定的S2而言表现出局部分辨率较低的状况。这种看似随机的受体结合域移动也能够在SARS冠状病毒MERS冠状病毒，甚至亲缘关系较远的猪流行性腹泻病毒中都能观察到，在新型冠状病毒S蛋白中所观察到的结果就表明，其或许拥有被认为在冠状病毒科保守的相同诱发机制，其中受体与暴露的受体结合域的结合会引发不稳定构象的产生，从而导致S1亚单位脱落，S2亚蛋白重新发生折叠。

由于S2亚单位似乎是一种对称的三聚体，因此研究人员对其进行了3D精细化处理使其具有C3对称性，这样就生成了一个3.2埃分辨率的图谱，其所呈现的S2亚单位的致密度较好，利用上述图谱，研究人员构建了新型冠状病毒的大部分胞外域区域，其中包括每个三聚体上的66个连接糖基化位点中的44个糖基化位点，研究者所得到的最终模型跨越了S残基22-1146（位点），其中省略了一些灵活的环路；与此前所报道的所有冠状病毒的胞外域结构一样，新型冠状病毒S蛋白的密度在连接域后也开始下降，从而就反映出了融合前构象中七肽重复区2结构域（HR2，heptad repeat 2）的灵活性。